KR101013848B1 - 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에어 블로워의 후단부 배압을 줄여줌과 함께 연료전지스택에 공급되는 공기 유량을 증가시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 외기를 공급하는 에어블로워와, 에어블로워로부터의 외기를 가습시켜 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 가습기와, 상기 공기극 출구와 가습기간에 연결된 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 있어서, 상기 공기배출라인의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인을 연결하고, 상기 에어블로워의 후단에 걸리는 배압 크기에 따라 개폐도가 조절되는 기계식 바이패스 밸브를 상기 바이패스 라인에 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치를 제공한다.

연료전지, 공기 공급, 조절 장치, 바이패스 라인, 공기극 기계식 바이패스 밸브, 에어블로워, 배압

Description

연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치{Device for controlling APS of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에어 블로워의 후단부 배압을 줄여줌과 함께 연료전지스택에 공급되는 공기 유량을 증가시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 관한 것이다.

연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어 온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.

연료전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대습도가 낮은 반응기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

상기 연료전지의 연료극에 대한 가습 방법은 연료전지 시스템의 운전시 전기화학 반응에 의해 공기극 영역에서 생성된 물이 연료극 영역으로 농도차에 의해 일부 확산되는데, 수소 재순환 장치를 통하여 재순환되는 수소가 상기와 같이 연료극으로 확산된 물을 함유하면서 연료극 입구로 공급되는 건조 수소와 혼합되어, 연료극 입구측의 공급 수소가 가습되어 이루어진다.

반면에, 연료전지의 공기극측 가습을 위해서 공급 공기를 적정 수준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기가 포함되며, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구 및 출구간에 장착되어 있다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 대개 중공사막(30)이 내재된 구조로서, 그 길이방향에서 일측에는 에어블로워(16)의 구동에 의하여 흡입되는 건조공기(대기공기) 유입구(22)가 형성되어 있고, 타측에는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구측과 연결되는 가습공기 출구(24)가 형성되어 있으며, 또한 가습기(10)의 폭방향에서 일측 위치에는 연료전지 스택(10)의 공기 극(14) 출구측과 연결되는 가습공기 유입구(26)가 형성되어 있고, 그 반대 위치에는 가습공기 배출구(28)가 형성되어 있다.

이때, 공기 중 산소는 약 20% 미만이므로, 공기극에서의 전기화학 반응이 원활히 일어날 수 있도록 공기 공급량은 필요량 대비 약 2배 이상, 즉 필요 산소를 공급하기 위해 순수 산소 공급 유량 대비 10배 이상의 유량을 공급해야 하므로, 상기 가습기(20)의 가습 효율을 높이기 위해 가습기(20)내 다수의 중공사막(30)은 많은 개수가 촘촘한 간격으로 내설된다.

따라서, 연료전지 스택(10)의 공기극(12)로부터 배출되는 습윤기체 즉, 반응을 마친 가습공기는 상기 가습공기 유입구(26)를 통해 가습기(20)내로 유입되고, 이와 함께 에어블로워(16)에 의하여 외기로부터의 건조공기가 상기 건조공기 유입구(22)를 통해 가습기(20)내로 유입되는 바, 상기 반응을 마친 가습공기의 수분이 중공사막(30)의 내부로 침투되는 동시에 중공사막(30)의 내부를 흐르는 건조공기를 가습시키게 되고, 가습된 공기는 상기 가습공기 출구(24)를 통해 연료전지 스택(10)의 공기극(14)으로 공급되어진다.

이와 같은 연료전지 시스템의 공기 공급 및 그에 따른 가습 작용에 있어서, 연료전지의 고출력 기동시 또는 순간적인 공기유량 증가가 요구될 때, 상기 에어블러워에 배압이 많이 걸려 전력소모가 심하게 발생하는 단점이 있다.

특히, 에어블로워의 배압은 공기가 가습기의 중공사막 내부를 통과할 때 25%, 연료전지스택의 공기채널을 통과할 때 25%, 연료전지스택에서 배출되어 가습기내의 중공사막 외부를 통과할 때 50%가 걸리게 되어, 결국 에어블로워에 걸리는 배압으로 인하여 연료전지의 고출력 기동시 또는 순간적인 가속을 위한 유량 증가요구 및 유량 변화의 반응속도를 만족시키지 못하는 단점이 있다.

이러한 단점을 해결하고자, 본원 출원인은 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 공기극(14) 출구와 가습기(20)간에 연결된 공기배출라인(40)에 외기와 연결되는 바이패스 라인(50)을 연결하고, 이 바이패스 라인(50)에 습도센서(64)에서 검출되는 습도량에 따라 그 개폐량이 전자식으로 조절되는 에어블로워 배압조절용 전자식 바이패스 밸브(66)를 장착시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치를 이미 출원(10-2008-103923(2008.10.23))한 바 있다.

그러나, 에어블로워의 배압이 가장 많이 걸리는 연료전지 스택의 공기극 출구와 가습기의 중공사막 사이에 바이패스 라인을 두고, 이 바이패스 라인으로 배출되는 유량을 에어블로워 배압조절용 전자식 바이패스 밸브로 제어함에 있어서, 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량증대가 필요할 때 제어기의 명령에 따라 에어블로워 배압조절용 바이패스 밸브가 열리는 전자식 구조로 채택됨에 따라, 별도의 제어기와 습도센서 등이 추가로 필요하여 원가 상승을 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 에어블로워의 배압이 가장 많이 걸리는 연료전지 스택의 공기극 출구와 가습기 사이에 바이패스 라인을 설치하고, 이 바이패스 라인에 기계식 바이패스 밸브를 설치하여, 에어블로워의 후단에 걸리는 배압 크기에 따라 기계식 바이패스 밸브의 개폐도가 자동 조절되도록 함으로써, 연료전지스택으로 순간적인 공기유량 증가가 필요할 때 또는 고출력 기동이 필요할 때, 연료전지스택에 공급되는 공기의 유량을 증가시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외기를 공급하는 에어블로워와, 에어블로워로부터의 외기를 가습시켜 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 가습기와, 상기 공기극 출구와 가습기간에 연결된 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 있어서, 상기 공기배출라인의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인을 연결하고, 상기 에어블로워의 후단에 걸리는 배압 크기에 따라 개폐도가 조절되는 기계식 바이패스 밸브를 상기 바이패스 라인에 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 기계식 바이패스 밸브는: 상기 바이패스 라인의 끝단부에 일체로 장착되는 중공 지지체와; 상기 바이패스 라인의 말단부 내경부에 상기 중공지지체쪽으로 선형 이동 가능하게 내재되는 중공 이동체와; 상기 중공 이동체의 외끝단면과 상기 중공 지지체의 외끝단면 간에 압축 가능하게 연결되는 스프링; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 중공 이동체의 내끝단부는 바이패스 라인쪽으로 개방되고, 상기 중공 이동체의 전체 둘레부에 제1배출홀이 관통 형성되며, 상 기 중공 지지체의 전체 둘레부에 제2배출홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 에어블로워의 공기 공급시 가장 배압이 많이 걸리는 공기극 출구와 가습기 사이구간에 별도의 바이패스라인을 설치하고, 이 바이패스라인에 기계식 바이패스 밸브를 장착하여, 에어블로워의 후단부 배압이 크게 작용하는 경우에 공기극에서 배출되는 일부 습윤공기가 외부로 배출되도록 기계식 바이패스 밸브가 자동으로 열리게 되어, 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량증대가 필요할 때 에어블로워의 후단부에 작용하는 배압을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 에어블로워에 의한 공기 공급 유량을 용이하게 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 연료전지 차량의 고출력 기동시, 또는 순간적인 가속시 에어블로워의 흡입 작동에 의하여 스택쪽으로 공급되는 공기 유량이 크게 증가되어야 하지만, 에어블로워에 배압이 많이 걸리게 됨과 함께 전력소모가 심하게 발생하는 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위해 본 발명은 에어블로워의 배압이 가장 많이 걸리는 부위(공기극에서 가습기내의 중공사막쪽으로 연결되는 라인)에 배압을 줄여줄 수 있는 기계식 바이패스 밸브를 설치함으로써, 연료전지스택에 공급되는 공기의 유량을 크게 증가시켜 순간적인 공기유량 증가를 요하는 경우와 고출력 기동을 요하는 경우를 충족시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위한 본 발명의 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치는 첨부한 도 3및 도 4에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치를 나타내는 개략도이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명은 연료전지스택(10)의 공기극(14)과 가습기(20)간에 연결되는 공기배출라인(40)의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인(50)을 연결하고, 이 바이패스 라인(50)에 에어블로워의 배압 크기에 따라 자동으로 개폐도가 조절되는 기계식 바이패스 밸브(52)를 설치한 점에 구성상 특징이 있다.

이때, 상기 에어블로워(16)의 배압이 가장 많이 걸리는 부분은 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구이므로, 공기극(14) 출구와 상기 가습기(20)의 가습공기 유입구(26)간을 연결하는 공기배출라인(40)에 바이패스 라인(50)을 형성한 것이고, 또한 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량 증대가 필요할 때에만 공기극(14)에서 배출되는 가습공기를 외기로 배출시키고자 상기 바이패스 라인(50)에 기계식 바이패스 밸브(52)를 장착시킨 것이다.

상기 기계식 바이패스 밸브(52)의 구성을 보면, 상기 바이패스 라인(50)의 끝단부 둘레면에 일체로 장착되는 소정 길이의 중공 지지체(58)와, 상기 바이패스 라인(50)의 말단부 내경부에 내재된 상태에서 상기 중공 지지체(58)쪽으로 선형 이동하는 중공 이동체(54)와, 상기 중공 이동체(54)의 외끝단면과 상기 중공 지지체(58)의 외끝단면 간에 압축 가능하게 연결되는 스프링(62)으로 구성된다.

보다 상세하게는, 상기 중공 이동체(54)의 내측단부는 바이패스 라인(50)쪽으로 개방되고, 또한 상기 중공 이동체(54)의 전체 둘레부에 걸쳐 제1배출홀(56)이 관통 형성되며, 상기 중공 지지체(58)의 전체 둘레부에도 상기 제1배출홀(56)과 연통되는 제2배출홀(60)이 관통 형성된다.

여기서, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 공기 공급 조절 장치에 대한 작동 흐름에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치의 작동 흐름을 설명하는 요부 확대 단면도이다.

연료전지 시스템의 동작시, 상기 에어블로워(16)에 의하여 여과된 외부공기 즉, 건조공기가 가습기(20)내로 공급되는데, 이 건조공기는 가습기(20)내의 중공사막(30)의 내부를 흐르게 된다.

이때, 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로부터 공기배출라인(40)을 따라 배출되는 반응을 마친 습윤공기의 전부가 가습기(20)내로 공급되는데, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 에어블로워의 배압이 크지 않은 경우에는 기계식 바이패스 밸브(52)의 중공 이동체(54)가 움직이지 않게 되므로 중공 이동체(54)의 제1배출 홀(56)은 바이패스 라인(50)의 내경면에 위치하여 막힌 상태로 유지된다.

이에, 상기 가습기(20)를 통과한 가습공기가 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로 공급되어 전기 생성을 위한 반응을 하게 되고, 이후 공기극(14)에서 반응을 마친 가습공기는 공기극(14)의 출구 및 공기배출라인(40)을 경유하여 가습기(20)내로 공급된다.

좀 더 상세하게는, 상기 공기극(14)에서 반응을 마친 가습공기는 공기배출라인(40)를 경유하여 가습기(20)의 가습공기 유입구(26)를 통해 중공사막(30)의 외경부로 유입되고, 유입된 가습공기는 중공사막(30)의 내부로 침투되어 에어블로워(16)에 의하여 공급된 건조공기를 가습하는 역할을 하게 된다.

한편, 고출력 기동시 또는 순간적인 가속시와 같이 연료전지 스택(10)에 공급하기 위한 공기요구량이 크게 요구되는 경우, 에어블로워(16)의 후단부 배압이 크게 증가하게 되는데, 이때에는 도 5의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 증가된 에어블로워(16)의 배압에 의하여 상기 기계식 바이패스 밸브(52)의 중공 이동체(54)가 스프링(62)을 압축시키면서 중공 지지체(58)쪽으로 선형 이동된다.

따라서, 상기 중공 이동체(54)의 제1배출홀(56)과 상기 중공 지지체(58)의 제2배출홀(60)이 서로 연통되는 상태가 되어, 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구를 통해 배출되는 습윤공기의 일부가 바이패스라인(50)에 장착된 기계식 바이패스 밸브(52) 즉, 서로 연통된 상기 중공 이동체(54)의 제1배출홀(56)과 상기 중공 지지체(58)의 제2배출홀(60)을 통해 외부로 배출됨으로써, 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로 공기를 공급하는 에어블로워(16)의 후단부 배압이 감소된다.

물론, 상기 에어블로워(16)의 후단부 배압이 감소됨과 함께 상기 스프링(62)의 탄성 복원력에 의하여 상기 중공 이동체(54)는 본래의 위치로 복귀된다.

이와 같이, 에어블로워(16)의 공기 공급시, 가장 배압이 많이 걸리는 부위인 상기 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구와 상기 가습기(20) 사이를 연결하는 공기배출라인(40)의 소정 위치에 별도의 바이패스라인(50)을 설치하고, 이 바이패스라인(50)에 기계식 바이패스 밸브(52)를 장착함으로써, 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량증대가 필요할 때 에어블로워의 배압 즉, 연료전지 시스템의 공기 흐름 구간중 후단부(연료전지스택의 공기극 출구)에 작용하는 배압을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 에어블로워에 의한 공기 공급 유량을 용이하게 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 공기 공급 및 가습을 위한 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 연료전지 시스템 구성중 가습기 구조를 설명하는 개략도,

도 3은 종래의 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치를 나타내는 개략도,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택 14 : 공기극

16 : 에어블로워 20 : 가습기

22 : 건조공기 유입구 24 : 가습공기 출구

26 : 가습공기 유입구 28 : 가습공기 배출구

30 : 중공사막 40 : 공기배출라인

50 : 바이패스라인 52 : 기계식 바이패스 밸브

54 : 중공 이동체 56 : 제1배출홀

58 : 중공 지지체 60 : 제2배출홀

62 : 스프링 64 : 습도센서

66 : 전자식 바이패스 밸브

Claims (3)

1. 삭제
2. 외기를 공급하는 에어블로워와, 에어블로워로부터의 외기를 가습시켜 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 가습기와, 상기 공기극 출구와 가습기간에 연결된 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치에 있어서,

   상기 공기배출라인의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인을 연결하고, 상기 에어블로워의 후단에 걸리는 배압 크기에 따라 개폐도가 조절되는 기계식 바이패스 밸브를 상기 바이패스 라인에 장착하며,

   상기 기계식 바이패스 밸브는:

   상기 바이패스 라인의 끝단부에 일체로 장착되는 중공 지지체와;

   상기 바이패스 라인의 말단부 내경부에 상기 중공지지체쪽으로 선형 이동 가능하게 내재되는 중공 이동체와;

   상기 중공 이동체의 외끝단면과 상기 중공 지지체의 외끝단면 간에 압축 가능하게 연결되는 스프링;

   으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 중공 이동체의 내끝단부는 바이패스 라인쪽으로 개방되고, 상기 중공 이동체의 전체 둘레부에 제1배출홀이 관통 형성되며, 상기 중공 지지체의 전체 둘레부에 제2배출홀이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 조절 장치.

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